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通過反射太陽光和發射長波紅外線（LWIR）輻射到寒冷的宇宙（~3開爾文），被動的日間輻射冷卻材料可以將建筑冷卻所需的能量降低至60%。然而，開發既實用和應用又能顯示長期環境穩定性的被動冷卻結構是具有挑戰性的。

在此，美國馬里蘭大學胡良兵教授等人開發了一種隨機光子復合材料，該復合材料由微孔玻璃框架組成，框架具有選擇性的長波紅外發射以及相對較高的太陽反射率和氧化鋁顆粒，可強烈散射陽光并防止多孔結構在制造過程中致密化。這種微孔玻璃涂層可以使即使在中午和夜間的高濕度條件下（高達80%），其溫度下降的值分別為3.5°和4°C。這種輻射性的“冷卻玻璃”涂層即使暴露在惡劣的條件下，包括水、紫外線輻射、污染和高溫下，也能保持較高的太陽反射率。

相關文章以“A solution-processed radiative cooling glass”為題發表在Science上。

研究背景

全球每年約10%的電力使用用于建筑的空調，預計到2050年冷卻需求將增加兩倍，需要不同的方法來減輕電網的壓力和對抗全球變暖。被動日間輻射冷卻技術可以通過在建筑外殼上反射>90%的太陽輻射，并將熱量通過大氣透明窗口（8到13毫米）作為長波紅外（LWIR）光進入寒冷的宇宙（~3 K），以實現亞環境溫度。除了建筑使用，被動輻射冷卻技術還可以有利于太陽能電池、發電廠冷凝器、用于個人熱舒適的高性能紡織品、收集露水和減緩冰川融化。其中，基于納米光子結構的被動輻射冷卻方法（如復合陶瓷和金屬）已經被證明有效。然而，這種結構需要復雜的納米級精度的制造技術（通常是在真空室中），這使得它們難以擴展和昂貴，特別是在建筑應用中。

為了提高日間輻射冷卻材料的可制造性，已經用有機聚合物演示了不同的方法，如聚合物-金屬雜化膜、多孔聚合物涂層和泡沫、聚合物-介電涂料、脫木質素木材和多層聚合物膜。然而，有機聚合物暴露于環境條件下，包括紫外線、光、光、水和環境化學物質，這增加了材料的太陽能吸收，從而降低冷卻功率，甚至導致加熱。此外，用于聚合物或無機輻射冷卻結構的金屬，如銀和鋁，可以被空氣中的化學物質氧化或硫酸化，從而導致太陽反射率降低。顯然，環境穩定仍然是實際實施這一原本有前途的技術的一個障礙。雖然環境穩定的微或納米陶瓷，如二氧化硅、碳化硅和氧化鋁，已經被證明可以用于輻射冷卻，但由于缺乏粘合劑，它們的機械強度較差，不適合建造建筑。此外，為了滿足在更極端環境中的應用需求，例如航空航天熱控制，被動輻射冷卻材料需要承受高達1000℃的高溫而不會導致性能下降。

研究內容

在這項研究中，作者設計并演示了一種“冷卻玻璃”的溶液處理涂層，該涂層解決了聚合物和金屬基輻射冷卻結構的關鍵挑戰，在環境條件下穩定，可擴展，低成本，同時展示了優異的被動冷卻性能。

具體來說，作者用一個簡單的兩步法制作了冷卻玻璃，將廉價的玻璃和氧化鋁顆粒混合成一種很容易涂在基底上的漿液，然后對低熔點玻璃進行熱退火，以實現多孔輻射冷卻結構（圖1A）。玻璃顆粒具有較低的軟化溫度（~350℃）和大氣透明窗口中豐富的紅外主動振動模式，作為非傳統粘合劑，形成一個堅固的多孔支撐框架（特征尺寸為~12 mm；圖1A），可以通過Fr?hlich共振提供增強的選擇性LWIR發射，同時將陽光散射到相當高的太陽反射率（圖1B）。此外，將氧化鋁顆粒（平均尺寸為0.5 mm）與玻璃顆粒（圖1A）混合，通過允許Mie在太陽光譜中散射（圖1B）來提高復合材料的太陽反射率，同時也作為抗燒結劑，防止玻璃顆粒完全致密，否則將導致陽光透明的結構。

圖1. 一種用于日間被動輻射冷卻的環境穩定的玻璃涂層

圖2. 輻射冷卻玻璃涂層的制作和形貌

這種雙粒子設計優化了與被動輻射冷卻相關的材料和尺寸效應，特別是結合了大氣透明窗口的高太陽反射率>0.96和~0.95的高紅外發射率。因此，在將該涂層（~550 mm厚）應用于1.5mm厚的玻璃基板后，室外實驗表明，即使在高濕度（高達80%）下，基底溫度可以比中午（30°C）環境溫度低3.5°C（800 W/m²太陽輻照度），晚上低4°C（環境溫度17.5°C）。

對中層公寓樓的模擬表明，在考慮冷卻需求減少的情況下，在屋頂上覆蓋輻射冷卻玻璃可以使每年的二氧化碳排放減少10%。除了優異的性能外，冷卻玻璃對基板（如瓷磚、磚、玻璃和金屬）具有較高的粘附強度，即使在暴露在惡劣條件下，包括水、紫外線、污染和高達1000°C的高溫火焰沖擊，也能保持其較高的太陽反射率。因此，這種簡單、可擴展、成本效益高、環境穩定的被動輻射冷卻玻璃涂層既可以減少能源消耗，以幫助緩解全球變暖，并提高住宅的舒適度。

圖3. 輻射冷卻玻璃涂層的光學和熱性能以及模擬屋頂應用的二氧化碳減排

圖4. 輻射冷卻玻璃的環境穩定性

綜上所述，本文報道了一種雙粒子設計方法，以開發環境穩定和可有效的微孔光子玻璃涂層，用于日間輻射冷卻，避免使用有機聚合物、金屬和復雜的多層結構。該設計的特點是大玻璃顆粒（直徑~12毫米），在大氣透明窗口內形成一個多孔框架，提供增強的選擇性LWIR發射，同時將陽光散射到高太陽反射率。同時，加入較小的氧化鋁顆粒（直徑~0.5mm），以提高復合材料的太陽反射率，防止玻璃顆粒的完全致密化。輻射冷卻玻璃涂層與許多具有不同軟化點的玻璃框架和介電顆粒的不同組合相兼容，并且可以通過加入染料很容易地擴展到開發彩色輻射冷卻玻璃涂層。這種基于解決方案的工藝是可擴展的，可以通過刷子或噴涂的方法輕松地應用于各種表面，包括屋頂和墻壁，而燒結處理可以通過多種方法來實現。這項工作提供了一種具有高太陽反射率、高選擇性LWIR、高抗環境降解性和高工作溫度的輻射冷卻結構，可用于大規模和長期應用，如建筑、數據中心和冷鏈運輸，以及應用在更極端的環境（例如航空航天）。

Xinpeng Zhao?, Tangyuan Li?, Hua Xie?, He Liu?, Lingzhe Wang, Yurui Qu, Stephanie C. Li,

Shufeng Liu, Alexandra H. Brozena, Zongfu Yu, Jelena Srebric, Liangbing Hu*, A solution-processed radiative cooling glass, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224

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